DE102015002559A1 - Stabilizing optical frequency combs - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft Verfahren zum Betreiben einer Lasereinrichtung (1), mit dem ein optischer Frequenzkamm stabilisiert werden kann, die Frequenzen dessen Moden durch die Formel fm = m × frep + f0 beschreibbar sind, wobei frep ein Modenabstand, f0 eine Offsetfrequenz und m eine natürliche Zahl ist. Es wird zumindest ein Signal (S1, S2, S3, S4) bestimmt, welches mit einem Ist-Wert eines Freiheitsgrades (F) korreliert, wobei der Freiheitsgrad (F) eine Linearkombination aus der Offsetfrequenz f0 und dem Modenabstand frep des Frequenzkamms ist. Basierend auf dem Signal wird mit einer ersten Kontrolleinheit (10) der Ist-Wert des Freiheitsgrades (F) in einen vorbestimmten Einfangbereich (F) einer zweiten Kontrolleinheit (40) eingestellt. Sobald der Einfangbereich (ΔFEinfang) der zweiten Kontrolleinheit (40) erreicht ist, wird die zweite Kontrolleinheit (40) aktiviert und der Ist-Wert mit Hilfe der zweiten Kontrolleinheit (40) auf einen Sollwert (FSoll) geregelt.The invention relates to methods for operating a laser device (1) with which an optical frequency comb can be stabilized, the frequencies of whose modes can be described by the formula fm = m × frep + f0, where frep is a mode spacing, f0 is an offset frequency and m is a natural Number is. At least one signal (S1, S2, S3, S4) is determined, which correlates with an actual value of a degree of freedom (F), wherein the degree of freedom (F) is a linear combination of the offset frequency f0 and the mode spacing frep of the frequency comb. Based on the signal, the actual value of the degree of freedom (F) is set with a first control unit (10) in a predetermined capture area (F) of a second control unit (40). As soon as the capture range (ΔF range) of the second control unit (40) has been reached, the second control unit (40) is activated and the actual value is regulated to a desired value (FSoll) with the aid of the second control unit (40).
Description
Die Erfindung betrifft das Gebiet optischer Frequenzkämme. Wie im Folgenden ausgeführt, kann das erfindungsgemäße Verfahren zum Stabilisieren eines optischen Frequenzkamms eingesetzt werden.The invention relates to the field of optical frequency combs. As explained below, the inventive method for stabilizing an optical frequency comb can be used.
Ein optischer Frequenzkamm kann bekanntermaßen durch ein Bereitstellen eines kurzen beziehungsweise ultrakurzen Laserpulses erzeugt werden. Ein solcher Laserpuls kann eine Pulsdauer im Bereich von Pikosekunden oder Femtosekunden aufweisen. Es sind allerdings auch größere oder kleinere Pulsdauern denkbar, beispielsweise im Bereich von Atto- bis Mikrosekunden.As is known, an optical frequency comb can be generated by providing a short or ultrashort laser pulse. Such a laser pulse may have a pulse duration in the range of picoseconds or femtoseconds. However, larger or smaller pulse durations are conceivable, for example in the range of attose to microseconds.
Im Frequenzraum lässt sich zumindest ein in einem Resonator erzeugter Laserpuls als Frequenzkamm darstellen.
Bekanntermaßen können die Frequenzen der Moden eines optischen Frequenzkamms ganz allgemein durch die Formel fm = m × frep + f0 beschrieben werden, wobei m eine natürliche Zahl ist und frep und f0 die Einheit einer Frequenz aufweisen. Wie aus dieser Formel und
Die Moden des Frequenzkamms liegen im Normalfall nicht exakt bei einem ganzzahligen Vielfachen von frep. Wie aus der obigen Formel und
Es erschließt sich dem Fachmann, dass die Beschreibung der Moden des Frequenzkamms durch die Formel fm = m × frep + f0 eine idealisierte Darstellung ist. Die Moden eines realen Frequenzkamms können eine endliche Breite im Frequenzraum aufweisen.It obvious to the skilled person that the description of the modes of the frequency comb by the formula f m = m × f rep + f 0 is an idealized representation. The modes of a real frequency comb may have a finite width in frequency space.
Optische Frequenzkämme werden beispielsweise im Bereich der Spektroskopie, insbesondere der Spektroskopie elektronischer Übergänge in Atomen, oder für sehr präzise Frequenzmessungen eingesetzt. Für diese Anwendungen ist es wichtig, einen Frequenzkamm stabilisieren zu können. „Stabilisierung eines Frequenzkamms” meint im Sinne der Erfindung eine Stabilisierung der Lage mindestens einer der Moden des Frequenzkamms. Eine aktive Stabilisierung kann notwendig sein, da der Modenabstand frep und die Offsetfrequenz f0 äußerst empfindlich auf äußere Einflüsse reagieren können. Für einen Laserpuls in einem Resonator führt bereits eine geringe Änderung der Resonatorlänge und damit der Repetitionsrate zu einer Veränderung des Modenabstands frep des Frequenzkamms. Zu einer Veränderung der Offsetfrequenz f0 kann beispielsweise eine Veränderung der dispersiven Eigenschaften im Resonator führen.Optical frequency combs are used for example in the field of spectroscopy, in particular the spectroscopy of electronic transitions in atoms, or for very precise frequency measurements. For these applications, it is important to be able to stabilize a frequency comb. "Stabilization of a frequency comb" in the sense of the invention means a stabilization of the position of at least one of the modes of the frequency comb. Active stabilization may be necessary because the mode spacing f rep and the offset frequency f 0 can be extremely sensitive to external influences. For a laser pulse in a resonator even a slight change in the resonator length and thus the repetition rate leads to a change in the mode spacing f rep of the frequency comb. For example, a change in the offset frequency f 0 can lead to a change in the dispersive properties in the resonator.
In der
Nach dem Bereitstellen eines Frequenzkamms können die Parameter des Frequenzkamms (Offsetfrequenz f0 und Modenabstand frep) unbestimmt sein. Im Allgemeinen ist direkt nach dem Bereitstellen des Frequenzkamms zumindest einer dieser Parameter unbestimmt. Auch während des Betriebs des Frequenzkamms kann zumindest einer der Parameter unbestimmt sein oder unbestimmt werden, beispielsweise durch Veränderung einer physikalischen Randbedingung.After providing a frequency comb, the parameters of the frequency comb (offset frequency f 0 and mode spacing f rep ) can be indefinite. In general, at least one of these parameters is indeterminate immediately after the frequency comb is provided. Even during the operation of the frequency comb, at least one of the parameters can be indefinite or indefinite, for example by changing a physical boundary condition.
Bekannte Regelkreise zum Stabilisieren des Frequenzkamms lassen sich nur unzuverlässig aktivieren. Dies liegt daran, dass ein gewöhnlicher Regelkreis einen Parameter des Frequenzkamms nur stabilisieren kann, wenn sich dieser bereits (zufällig) in einem durch die Eigenschaften des Regelkreises definierten Bereich befindet. Ansonsten fängt der Regelkreis typischerweise an zu schwingen, läuft gegen ein Ende seines Regelbereichs oder steuert den Frequenzkamm basierend auf einem Rauschsignal an.Known control circuits for stabilizing the frequency comb can only be activated unreliably. This is because an ordinary control loop can only stabilize a parameter of the frequency comb if it is already (randomly) in an area defined by the characteristics of the control loop. Otherwise, the control loop typically begins to oscillate, running toward one end of its control range, or driving the frequency comb based on a noise signal.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben einer Lasereinrichtung bereitzustellen, mit dem ein Frequenzkamm einfach und zuverlässig stabilisiert werden kann. It is therefore an object of the present invention to provide a method for operating a laser device with which a frequency comb can be easily and reliably stabilized.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung an.This object is achieved by the method according to claim 1. The dependent claims indicate advantageous embodiments of the invention.
Ein Frequenzkamm lässt sich beispielsweise über einen Femtosekunden-Laser (Fs-Laser) erzeugen, insbesondere einen Fs-Faserlaser. Der Frequenzkamm kann beispielsweise in einem Resonator, insbesondere einem Mikroresonator, oder mittels eines optisch parametrischen Oszillators (OPO) erzeugt werden. Auch das Erzeugen des Frequenzkamms durch Modulation von Dauerstrichlasern (EOM Kämme, Kombination von Phasen- und Frequenzmodulation) oder durch optische Gleichrichtung ist denkbar. Die Verwendung eines Differenzfrequenzkamms ist ebenfalls denkbar. Der Frequenzkamm kann auch auf eine andere Art bereitgestellt werden. Es ist zudem denkbar, dass der verwendete Frequenzkamm nachträglich durch AOMs oder EOMs verändert wurde.A frequency comb can be generated, for example, via a femtosecond laser (Fs laser), in particular an Fs fiber laser. The frequency comb can be generated, for example, in a resonator, in particular a microresonator, or by means of an optical parametric oscillator (OPO). The generation of the frequency comb by modulation of continuous wave lasers (EOM combs, combination of phase and frequency modulation) or by optical rectification is conceivable. The use of a difference frequency comb is also conceivable. The frequency comb can also be provided in a different way. It is also conceivable that the frequency comb used was subsequently changed by AOMs or EOMs.
Erfindungsgemäß wird ein optischer Frequenzkamm bereitgestellt, der eine Vielzahl von Moden aufweist, deren Frequenzen durch die Formel fm = m × frep + f0 beschreibbar sind. Dieser Frequenzkamm soll nun stabilisiert werden. Dazu wird zumindest ein Signal bestimmt, welches mit einem Ist-Wert eines Freiheitsgrades F des Frequenzkamms korreliert. Der Freiheitsgrad F des Frequenzkamms ist erfindungsgemäß eine Linearkombination aus der Offsetfrequenz f0 und dem Modenabstand frep des Frequenzkamms. Der Freiheitsgrad F lässt sich also durch die folgende Formel ausdrücken: F = v × frep + w × f0 + c, wobei v und w reelle Zahlen sind und c die Einheit einer Frequenz hat. Auszuschließen kann hier lediglich der Fall sein, dass v und w gleichzeitig 0 sind. Explizit in den Umfang der vorliegenden Erfindung eingeschlossen sind die Fälle F = frep (also v = 1, w = c = 0) und F = f0 (w = 1, v = c = 0). Der Freiheitsgrad F charakterisiert in jedem Fall den Frequenzkamm, bzw. Eigenschaften des Frequenzkamms. Zur vollständigen Beschreibung eines Frequenzkammes kann mindestens ein Freiheitsgrad F nötig sein.According to the invention, an optical frequency comb is provided which has a multiplicity of modes whose frequencies can be described by the formula f m = m × f rep + f 0 . This frequency comb should now be stabilized. For this purpose, at least one signal is determined which correlates with an actual value of a degree of freedom F of the frequency comb. The degree of freedom F of the frequency comb is according to the invention a linear combination of the offset frequency f 0 and the mode spacing f rep of the frequency comb. The degree of freedom F can thus be expressed by the following formula: F = v × f rep + w × f 0 + c, where v and w are real numbers and c is the unit of a frequency. Exclude here can only be the case that v and w are simultaneously 0. Explicitly included within the scope of the present invention are the cases F = f rep (ie v = 1, w = c = 0) and F = f 0 (w = 1, v = c = 0). The degree of freedom F in each case characterizes the frequency comb, or properties of the frequency comb. For a complete description of a frequency comb at least one degree of freedom F may be necessary.
Erfindungsgemäß wird ein erstes Eingangssignal, das in der Menge des zumindest einen Signals enthalten ist, an eine erste Kontrolleinheit übermittelt. Vorteilhafterweise können auch mehrere erste Eingangssignale, die jeweils in der Menge des zumindest einen Signals enthalten sind, an die erste Kontrolleinheit übermittelt werden.According to the invention, a first input signal, which is contained in the quantity of the at least one signal, is transmitted to a first control unit. Advantageously, a plurality of first input signals, which are each contained in the quantity of the at least one signal, can be transmitted to the first control unit.
Basierend auf dem übermittelten zumindest einen ersten Eingangssignal wird erfindungsgemäß mit der ersten Kontrolleinheit der Ist-Wert des Freiheitsgrades in einen vorbestimmten Einfangbereich einer zweiten Kontrolleinheit eingestellt. Dies ist ein dem eigentlichen Stabilisieren des Ist-Wertes vorgeschalteter Schritt, der sicherstellt, dass der entsprechende Regelkreis greift. Das eigentliche Stabilisieren erfolgt dann durch die zweite Kontrolleinheit.Based on the transmitted at least one first input signal, according to the invention, the actual value of the degree of freedom is set in a predetermined capture range of a second control unit with the first control unit. This is a step preceding the actual stabilization of the actual value, which ensures that the corresponding control loop is effective. The actual stabilization is then carried out by the second control unit.
Wenn der Ist-Wert in dem Einfangbereich der zweiten Kontrolleinheit liegt, wird die zweite Kontrolleinheit aktiviert. Ob der Ist-Wert in dem Einfangbereich liegt, kann beispielsweise durch erneutes Messen des Ist-Werts des Freiheitsgrades ermittelt werden.If the actual value is in the capture range of the second control unit, the second control unit is activated. Whether the actual value lies in the capture range can be determined, for example, by re-measuring the actual value of the degree of freedom.
Ist die zweite Kontrolleinheit aktiviert, so wird der Ist-Wert mit deren Hilfe auf einen vorbestimmten Sollwert geregelt. Damit wird der Frequenzkamm stabilisiert. Abhängig von dem konkreten gewählten Freiheitsgrad F kann ein für eine spezielle Anwendung geeigneter Sollwert festgelegt werden. Der Ist-Wert des Freiheitsgrads muss dabei für eine erfolgreiche Stabilisierung nicht notwendigerweise in genaue Übereinstimmung mit dem Sollwert gebracht werden. Es kann ausreichend sein, wenn der Ist-Wert des Freiheitsgrades in einem festgelegten Bereich um den Sollwert gehalten wird. Dabei kann der Sollwert so gewählt werden, dass der Modenabstand frep des Frequenzkamms z. B. in einem Bereich um 250 MHz stabilisiert wird und/oder die Offsetfrequenz f0 in einem Bereich zwischen 0 und 125 MHz stabilisiert wird. Die Stabilisierung kann derart erfolgen, dass der Ist-Wert bis auf einige Hz identisch mit dem Sollwert ist, beispielsweise bis auf höchstens 2 Hz, 5 Hz, 10 Hz, 20 Hz, 50 Hz oder 100 Hz oder so, dass lediglich Abweichungen des Ist-Werts von dem Sollwert um weniger als 1%, weniger als 3%, weniger als 5% oder weniger als 10% erlaubt sind. Entspricht der Freiheitsgrad F dem Modenabstand frep des Frequenzkamms, kann die Stabilisierung so erfolgen, dass der Ist-Wert bis auf 1 mHz oder 2 mHz identisch mit dem Sollwert ist. Entspricht der Freiheitsgrad F der Offsetfrequenz f0 des Frequenzkamms, kann die Stabilisierung so erfolgen, dass der Ist-Wert bis auf 1 Hz oder 2 Hz identisch mit dem Sollwert ist. Die Übereinstimmung mit dem Sollwert kann innerhalb einer gewissen Integrationszeit beurteilt werden, beispielsweise über eine oder mehrere Sekunden.If the second control unit is activated, the actual value is controlled with the aid of this to a predetermined desired value. This stabilizes the frequency comb. Depending on the specific degree of freedom F selected, a setpoint suitable for a specific application can be defined. The actual value of the degree of freedom does not necessarily have to be brought into exact agreement with the desired value for successful stabilization. It may be sufficient if the actual value of the degree of freedom is kept within a specified range around the setpoint. In this case, the desired value can be selected such that the mode spacing f rep of the frequency comb z. B. is stabilized in a range around 250 MHz and / or the offset frequency f 0 is stabilized in a range between 0 and 125 MHz. The stabilization can take place in such a way that the actual value is identical with the desired value up to a few Hz, for example up to at most 2 Hz, 5 Hz, 10 Hz, 20 Hz, 50 Hz or 100 Hz or so that only deviations of the actual Values of less than 1%, less than 3%, less than 5% or less than 10% are allowed. If the degree of freedom F corresponds to the mode spacing f rep of the frequency comb, the stabilization can be carried out in such a way that the actual value is identical with the desired value except for 1 mHz or 2 mHz. If the degree of freedom F corresponds to the offset frequency f 0 of the frequency comb, the stabilization can be carried out such that the actual value is identical to the desired value except for 1 Hz or 2 Hz. The agreement with the desired value can be assessed within a certain integration time, for example over one or more seconds.
Erfindungsgemäß wird die Lasereinrichtung also mit einem zweistufigen Verfahren betrieben. Mittels der ersten Kontrolleinheit wird der Ist-Wert des Freiheitsgrades in den vorbestimmten Einfangbereich der zweiten Kontrolleinheit gebracht. So wird sichergestellt, dass die zweite Kontrolleinheit in der Lage ist, den Ist-Wert zuverlässig auf den Sollwert zu regeln. Prinzipiell könnte als zweite Kontrolleinheit ein bekanntes System zum Stabilisieren eines Frequenzkamms verwendet werden. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird dann sichergestellt, dass die Regelung durch die zweite Kontrolleinheit zuverlässig aktiviert werden kann und schnell funktionsbereit ist.According to the invention, the laser device is thus operated with a two-stage process. By means of the first control unit, the actual value of the degree of freedom is brought into the predetermined capture range of the second control unit. This ensures that the second control unit is able to reliably control the actual value to the setpoint. In principle, a known system for stabilizing a frequency comb could be used as the second control unit. The method according to the invention then ensures that that the control by the second control unit can be reliably activated and is ready to operate quickly.
An die zweite Kontrolleinheit kann zumindest ein zweites Eingangssignal übermittelt werden, das in der Menge des zumindest einen Signals enthalten ist, also mit dem Ist-Wert des Freiheitsgrades korreliert. Vorteilhafterweise umfasst die zweite Kontrolleinheit einen einzelnen zweiten Regelkreis oder mehrere zweite Regelkreise, der/die basierend auf dem zumindest einen zweiten Eingangssignal einen oder mehrere Aktuatoren kontrolliert/kontrollieren.At least one second input signal, which is contained in the quantity of the at least one signal, that is correlated with the actual value of the degree of freedom, can be transmitted to the second control unit. Advantageously, the second control unit comprises a single second control loop or a plurality of second control loops, which controls one or more actuators based on the at least one second input signal.
Dabei ist es denkbar, dass jedem zweiten Regelkreis genau ein Aktuator zugeordnet ist. Alternativ kann ein Aktuator auch von mehreren zweiten Regelkreisen kontrolliert werden. Vorteilhafterweise kontrollieren sämtliche zweiten Regelkreise den einen oder die mehreren Aktuatoren basierend auf einem einzelnen in der Menge des zumindest einen Signals enthaltenen zweiten Eingangssignal. Das einzelne zweite Eingangssignal wird also von den zweiten Regelkreisen gemeinsam verwendet. So kann die Stabilisierung des Frequenzkamms vereinfacht werden, da die Anzahl der zu messenden Signale maximal reduziert ist. Auch wenn nur ein einzelnes zweites Eingangssignal verwendet wird, lassen sich innerhalb der zweiten Kontrolleinheit mehrere Regelstufen implementieren, um eine möglichst effiziente und schnelle Regelung umzusetzen und/oder einen größeren Regelbereich abzudecken. Es ist auch denkbar, dass jeder zweite Regelkreis ein eigenes zweites Eingangssignal hat.It is conceivable that exactly one actuator is assigned to each second control loop. Alternatively, an actuator can also be controlled by a plurality of second control circuits. Advantageously, all second control circuits control the one or more actuators based on a single second input signal included in the set of the at least one signal. The single second input signal is thus used jointly by the second control circuits. Thus, the stabilization of the frequency comb can be simplified because the number of signals to be measured is maximally reduced. Even if only a single second input signal is used, several control stages can be implemented within the second control unit in order to implement the most efficient and fast control possible and / or to cover a larger control range. It is also conceivable that every second control loop has its own second input signal.
Die zweiten Regelkreise können kaskadiert sein. Dabei können vorgeschaltete zweite Regelkreise nachgeschaltete zweite Regelkreise in ihre Regelbereiche bringen bzw. dort halten. Insbesondere können in der Kaskadierung vorgeschaltete zweite Regelkreise eine grobere Einstellgenauigkeit haben als die nachgeschalteten Regelkreise. Dies kann durch geeignete Wahl der Aktuatoren oder der verwendeten zweiten Eingangssignale realisiert werden. Vorteilhafterweise greifen die kaskadierten zweiten Regelkreise auf verschiedene Aktuatoren zu, die unterschiedliche Einstellgenauigkeiten haben können.The second control loops can be cascaded. In this case, upstream second control circuits can bring downstream second control circuits into their control ranges or hold them there. In particular, in the cascading upstream second control loops can have a coarser setting accuracy than the downstream control loops. This can be realized by a suitable choice of the actuators or the second input signals used. Advantageously, the cascaded second control circuits access different actuators which may have different setting accuracies.
Die zweiten Regelkreise mit den zugeordneten Aktuatoren können so ausgelegt sein, dass sie in der Lage sind, den Ist-Wert des Freiheitsgrades zuverlässig auf den vorbestimmten Sollwert zu regeln, sofern sich der Ist-Wert in dem Einfangbereich der zweiten Kontrolleinheit befindet. Der Einfangbereich kann durch mehrere Eigenschaften der zweiten Kontrolleinheit begrenzt sein. Wenn beispielsweise als Aktuator von der zweiten Kontrolleinheit ein piezoelektrisches Stellelement zum Verfahren eines Resonatorspiegels verwendet wird, kann der Einfangbereich durch den begrenzten Verfahrweg des piezoelektrischen Stellelements limitiert sein. Es ist auch denkbar, dass ein zur Stabilisierung benutztes Fehlersignal (z. B. die Differenz zwischen dem betreffenden zweiten Eingangssignal und dem vorgegebenen Sollwert des Freiheitsgrades) außerhalb eines bestimmten Bereichs stark gedämpft wird, so dass keine Stabilisierung möglich ist. Es ist auch denkbar, dass das zur Stabilisierung verwendete zweite Eingangssignal außerhalb eines Detektionsbereichs liegt. Dies kann insbesondere problematisch sein, wenn die Offsetfrequenz f0 eines Frequenzkamms geregelt werden soll.The second control circuits with the associated actuators can be designed so that they are able to reliably control the actual value of the degree of freedom to the predetermined desired value, if the actual value is in the capture range of the second control unit. The capture area may be limited by several properties of the second control unit. For example, if a piezoelectric actuator is used as the actuator of the second control unit for moving a resonator, the capture range can be limited by the limited travel of the piezoelectric actuator. It is also conceivable that an error signal used for stabilization (for example the difference between the relevant second input signal and the predetermined desired value of the degree of freedom) is greatly attenuated outside a certain range, so that no stabilization is possible. It is also conceivable that the second input signal used for stabilization is outside a detection range. This can be particularly problematic if the offset frequency f 0 of a frequency comb is to be controlled.
Um den Ist-Wert des Freiheitsgrades in den Einfangbereich der zweiten Kontrolleinheit zu bringen, kann die erste Kontrolleinheit mehrere erste Regelkreise umfassen. Vorteilhafterweise werden diese sequentiell nacheinander verwendet. In einer einfachen Ausführungsform ist es auch denkbar, dass die erste Kontrolleinheit lediglich einen ersten Regelkreis umfasst.In order to bring the actual value of the degree of freedom into the capture range of the second control unit, the first control unit may comprise a plurality of first control loops. Advantageously, these are used sequentially one after the other. In a simple embodiment, it is also conceivable that the first control unit comprises only a first control loop.
Die ersten Regelkreise können zur Regelung des Ist-Werts das zumindest eine erste Eingangssignal verwenden. Es ist denkbar, dass das zumindest eine erste Eingangssignal das zweite Eingangssignal umfasst. Damit kann eine ohnehin vorzusehende Messeinrichtung zum Bestimmen des zweiten Eingangssignals von der ersten Kontrolleinheit mit verwendet werden. Vorteilhafterweise umfasst das zumindest eine erste Eingangssignal zumindest ein Signal, das nicht von der zweiten Kontrolleinheit verwendet wird. Ein solches erstes Eingangssignal ist sinnvollerweise in einem größeren Bereich messbar als die von der zweiten Kontrolleinheit verwendeten Signale. Mit einer Vergrößerung des Messbereichs geht im Allgemeinen eine gewisse Verschlechterung der Messauflösung einher. Nachdem mit der ersten Kontrolleinheit der Ist-Wert des Freiheitsgrads allerdings lediglich in den Einfangbereich der zweiten Kontrolleinheit gebracht werden muss, kann dies für die erste Kontrolleinheit hingenommen werden. Für ein von der ersten Kontrolleinheit verwendetes Signal ist ein breiter Detektionsbereich wichtiger als eine hohe Auflösung, da so auch weit vom Sollwert entfernte Ist-Werte des Freiheitsgrades detektiert und in den Einfangbereich der zweiten Kontrolleinheit gebracht werden können.The first control circuits may use the at least one first input signal to control the actual value. It is conceivable that the at least one first input signal comprises the second input signal. In this way, an already provided measuring device can be used to determine the second input signal from the first control unit. Advantageously, the at least one first input signal comprises at least one signal which is not used by the second control unit. Such a first input signal is usefully measurable over a larger range than the signals used by the second control unit. Increasing the measuring range is generally accompanied by a certain deterioration of the measuring resolution. However, once the actual value of the degree of freedom has to be brought into the capture range of the second control unit with the first control unit, this can be accepted for the first control unit. For a signal used by the first control unit, a broad detection range is more important than a high resolution, since in this way also actual values of the degree of freedom far away from the desired value can be detected and brought into the capture range of the second control unit.
Es ist vorteilhaft, wenn die erste Kontrolleinheit einen oder mehrere zweite Regelkreise wahlweise aktiviert. So kann die Regelung durch die zweite Kontrolleinheit direkt von der ersten Kontrolleinheit aktiviert werden, sobald der Ist-Wert in dem Einfangbereich liegt. Vorteilhafterweise können mehrere zweite Regelkreise getrennt aktiviert werden. So kann jeweils ein situationsbedingt am besten geeigneter zweiter Regelkreis aktiviert werden. Es ist auch denkbar, alle oder mehrere zweiten Regelkreise zusammen zu aktivieren, beispielsweise, wenn diese kaskadiert sind.It is advantageous if the first control unit optionally activates one or more second control circuits. Thus, the control can be activated by the second control unit directly from the first control unit as soon as the actual value is in the capture range. Advantageously, several second control loops can be activated separately. Thus, in each case a situation-based best suited second control loop can be activated. It is also conceivable, all or more second control loops activate together, for example, if they are cascaded.
Die erste Kontrolleinheit kann eine Zustandsmaschine umfassen, die zum Aktivieren der zweiten Regelkreise ausgelegt sein kann. Die Zustandsmaschine kann auch die sequentielle Verwendung der ersten Regelkreise koordinieren. Dazu kann der Zustandsmaschine das gemessene zumindest eine Signal zugeführt werden. Unter Verwendung der Zustandsmaschine lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren weiter automatisieren. So kann ein zuverlässiges vollautomatisches Aktivieren einer Frequenzkammstabilisierung umgesetzt werden, ohne dass „von Hand” Aktuatoren „blind” verfahren werden müssen, bis eine Stabilisierung greift.The first control unit may include a state machine that may be configured to activate the second control loops. The state machine may also coordinate the sequential use of the first control loops. For this purpose, the state machine can be supplied with the measured at least one signal. Using the state machine, the method according to the invention can be further automated. Thus, a reliable fully automatic activation of a frequency comb stabilization can be implemented without having to move "manually" actuators "blindly" until stabilization takes effect.
Es kann vorteilhaft sein, wenn die erste Kontrolleinheit einen oder mehrere der von den zweiten Regelkreisen kontrollierten Aktuatoren parallel oder alternativ zu der zweiten Kontrolleinheit verwendet und/oder einstellt. So kann die Zahl der notwendigen Aktuatoren reduziert werden.It may be advantageous if the first control unit uses and / or adjusts one or more of the actuators controlled by the second control circuits in parallel or as an alternative to the second control unit. So the number of necessary actuators can be reduced.
Es ist auch denkbar, dass zumindest ein Aktuator durch die erste Kontrolleinheit angesteuert wird, der unabhängig von der zweiten Kontrolleinheit ist. Dieser Aktuator kann einen größeren Einstellbereich haben als die von der zweiten Kontrolleinheit kontrollierten Aktuatoren. Damit können auch weit vom Sollwert wegliegende Ist-Werte in den Einfangbereich der zweiten Kontrolleinheit gebracht werden. Eine möglicherweise mit dem größeren Einstellbereich einhergehende Reduktion der Einstellgenauigkeit kann in der ersten Kontrolleinheit im Allgemeinen hingenommen werden.It is also conceivable that at least one actuator is controlled by the first control unit, which is independent of the second control unit. This actuator can have a larger adjustment range than the actuators controlled by the second control unit. As a result, actual values far away from the desired value can also be brought into the capture range of the second control unit. A reduction of the setting accuracy possibly accompanied by the larger adjustment range can generally be accepted in the first control unit.
Die erste und die zweite Kontrolleinheit können dazu ausgelegt sein, jeweils zumindest ein Aktuatorsignal zu verarbeiten, welches den Stellwert eines Aktuators repräsentiert.The first and the second control unit can be designed to process at least one actuator signal, which represents the control value of an actuator.
Zweckmäßigerweise hat das von der ersten Kontrolleinheit verwendete, zumindest eine erste Eingangssignal einen möglichst großen Gültigkeitsbereich, vorzugsweise im Wesentlichen zentriert um den Sollwert. „Gültigkeitsbereich” bezeichnet dabei den Wertebereich des Freiheitsgrads, in dem die Bestimmung des zumindest einen ersten Eingangssignals einen korrekten Messwert liefert. Vorteilhafterweise ist der Gültigkeitsbereich des ersten Eingangssignals größer als der Einfangbereich der zweiten Kontrolleinheit, insbesondere zumindest eineinhalbmal, zweimal, dreimal, fünfmal, zehnmal oder zwanzigmal so groß. Wird der Modenabstand frep zur Bestimmung des ersten Eingangssignals gemessen, kann der Einfangbereich 500 Hz (Messung per Phasendetektor) umfassen und der Gültigkeitsbereich 10 MHz (Messung per Zähler). Wird die Offsetfrequenz f0 zur Bestimmung des ersten Eingangssignals gemessen, kann der Einfangbereich 2 MHz umfassen und der Gültigkeitsbereich 20 MHz.The at least one first input signal used by the first control unit expediently has the widest possible range of validity, preferably substantially centered around the desired value. In this case, "validity range" designates the value range of the degree of freedom in which the determination of the at least one first input signal supplies a correct measured value. Advantageously, the validity range of the first input signal is greater than the capture range of the second control unit, in particular at least one and a half times, twice, three times, five times, ten times or twenty times as large. If the mode spacing f rep for determining the first input signal is measured, the capture range may include 500 Hz (measurement by phase detector) and the
Sollte der Ist-Wert des Freiheitsgrades dennoch außerhalb des Gültigkeitsbereichs des ersten Eingangssignals liegen, ist es zweckmäßig, wenn die erste Kontrolleinheit dies mithilfe eines weiteren ersten Eingangssignals erkennen kann und dann einen Stellwert mindestens eines Aktuators verändert, bis der Gültigkeitsbereich wieder erreicht ist. Vorteilhafterweise wird der Stellwert des mindestens einen Aktuators dabei gleichmäßig verändert, beispielsweise in konstanten Schritten. So kann sichergestellt werden, dass der Gültigkeitsbereich wieder erreicht wird. Alternativ kann der Stellwert des Aktuators stochastisch verändert werden, um möglichst schnell wieder in den Gültigkeitsbereich zu kommen. Vorteilhafterweise wird außerhalb des Gültigkeitsbereiches der mindestens eine Aktuator abhängig von einem oder mehreren vorausgegangenen Zuständen der ersten Kontrolleinheit angesteuert, um den Ist-Wert möglichst effizient wieder in den Gültigkeitsbereich zu bringen. Das Verändern des Stellwerts mindestens eines Aktuators kann von der Zustandsmaschine der ersten Kontrolleinheit gesteuert werden. Dies ist vorteilhaft, da die Zustandsmaschine ohnehin zum Ansteuern der Aktuatoren ausgelegt ist. Zudem kann so der Prozess weiter automatisiert werden. Die Zustandsmaschine kann dazu einen Funktionsgenerator ansteuern, der abhängig von der Eingabe der Zustandsmaschine ein Steuersignal/mehrere Steuersignale an einen oder mehrere Aktuatoren ausgibt.If the actual value of the degree of freedom nevertheless lies outside the validity range of the first input signal, it is expedient for the first control unit to be able to detect this with the aid of a further first input signal and then to change a manipulated value of at least one actuator until the validity range is reached again. Advantageously, the control value of the at least one actuator is changed uniformly, for example, in constant steps. This ensures that the scope is reached again. Alternatively, the manipulated variable of the actuator can be stochastically changed in order to get back into the scope as quickly as possible. Advantageously, outside the validity range, the at least one actuator is actuated as a function of one or more preceding states of the first control unit in order to bring the actual value back into the validity range as efficiently as possible. The manipulation of the manipulated variable of at least one actuator can be controlled by the state machine of the first control unit. This is advantageous because the state machine is designed anyway for driving the actuators. In addition, the process can be further automated. For this purpose, the state machine can drive a function generator which, depending on the input of the state machine, outputs a control signal (s) to one or more actuators.
Zum Überprüfen, ob sich der Ist-Wert innerhalb des Gültigkeitsbereichs befindet, kann ein Leistungspegel eines Schwebungssignals bestimmt werden. Dazu kann ein den optischen Frequenzkamm bildender Laserpuls dazu gebracht werden, mit einem Referenzsignal bekannter Frequenz zu interferieren. Dabei entsteht eine Schwebung, deren Schwebungsfrequenz der Differenzfrequenz zwischen der Frequenz fm einer Mode des Frequenzkamms und der Frequenz des Referenzsignals entspricht. Das optische Schwebungssignal kann in ein elektrisches Signal umgewandelt werden, beispielsweise über eine Photodiode, und dann durch einen Frequenzfilter geleitet werden. Durch Auswerten des Signalpegels kann bestimmt werden, ob die Schwebungsfrequenz in einem vorbestimmten Bereich liegt (Durchlassbereich des Frequenzfilters). Bei geeigneter Wahl des Referenzsignals und des Frequenzfilters kann so bestimmt werden, ob sich der Ist-Wert innerhalb des Gültigkeitsbereichs befindet. Es ist auch eine Messung mit einem f:2f-Interferometer denkbar.To check whether the actual value is within the validity range, a power level of a beat signal can be determined. For this purpose, a laser pulse forming the optical frequency comb can be made to interfere with a reference signal of known frequency. This produces a beat whose beat frequency corresponds to the difference frequency between the frequency f m of a mode of the frequency comb and the frequency of the reference signal. The optical beat signal may be converted to an electrical signal, for example via a photodiode, and then passed through a frequency filter. By evaluating the signal level, it can be determined whether the beat frequency is in a predetermined range (passband of the frequency filter). With a suitable choice of the reference signal and the frequency filter can be determined so that the actual value is within the validity range. It is also conceivable to measure with an f: 2f interferometer.
Da im Rahmen der vorliegenden Erfindung ohnehin Kapazitäten zum Bestimmen eines Signals bereitgestellt werden müssen, welches mit dem Ist-Wert des Freiheitsgrades korreliert, kann ohne großen Zusatzaufwand festgestellt werden, ob eine erfolgreichen Stabilisierung des Freiheitsgrades erfolgt ist. Dazu kann bestimmt werden, ob der Ist-Wert in einem bestimmten Bereich um den Sollwert liegt, vorzugsweise über einen vorbestimmten Zeitraum hinweg. Wird ein Zustand erfolgreicher Stabilisierung erfasst, kann dieser angezeigt oder in einer Meldung ausgegeben werden. So wird ermöglicht, den Frequenzkamm in ein übergeordnetes automatisiertes System zu integrieren. Der Frequenzkamm kann an eine Einheit des übergeordneten Systems melden, ab wann er für eine Verwendung durch dieses System bereitsteht. Damit ist kein Beaufsichtigen der Einschaltprozedur des Frequenzkamms durch einen Benutzer nötig.Since capacitances for determining a signal, which correlate with the actual value of the degree of freedom, can already be provided within the scope of the present invention anyway, it can be determined without great additional effort whether a successful stabilization of the degree of freedom has occurred. For this purpose, it can be determined whether the actual value lies within a certain range around the setpoint, preferably over a predetermined period of time. If a condition of successful stabilization is detected, it can be displayed or output in a message. This makes it possible to integrate the frequency comb into a higher-level automated system. The frequency comb can report to a higher-level system unit when it is ready for use by that system. Thus, it is not necessary to supervise the turn-on procedure of the frequency comb by a user.
Im Folgenden sollen die Erfindung und ihre Vorteile anhand von Zeichnungen weiter verdeutlicht werden. Dabei zeigen:In the following, the invention and its advantages will be further clarified by means of drawings. Showing:
Eine beispielhafte Lasereinrichtung
Bei der Lasereinrichtung
Der Resonator
Einer der Resonatorspiegel
Es ist auch denkbar, dass im Resonator
Im oder am Resonator
Weitere denkbare Aktuatoren, die alternativ oder zusätzlich vorgesehen sein können, sind eine Vorrichtung zum Einbringen eines optischen Prismas
Zum Verändern der Offsetfrequenz f0 ist es auch denkbar, als Aktuator eine Verkippvorrichtung
Ein Beispiel für einen nicht direkt an oder im Resonator
In
Erfindungsgemäß wird zumindest ein Signal S1, S2, S3, S4 bestimmt, welches mit einem Ist-Wert eines Freiheitsgrades F des Frequenzkamms korreliert. Der Freiheitsgrad kann dabei im Sinne der vorliegenden Erfindung eine beliebige Linearkombination aus der Offsetfrequenz f0 und dem Modenabstand frep des optischen Frequenzkamms sein. Insbesondere kann es vorteilhaft sein, wenn der Freiheitsgrad dem Modenabstand frep oder der Offsetfrequenz f0 entspricht und damit das Signal mit einem Ist-Wert des Modenabstands frep oder der Offsetfrequenz f0 korreliert.According to the invention, at least one signal S1, S2, S3, S4 is determined, which correlates with an actual value of a degree of freedom F of the frequency comb. In the context of the present invention, the degree of freedom may be any linear combination of the offset frequency f 0 and the mode spacing f rep of the optical frequency comb. In particular, it may be advantageous if the degree of freedom corresponds to the mode spacing f rep or the offset frequency f 0 and thus the signal correlates with an actual value of the mode spacing f rep or the offset frequency f 0 .
In dem Fall, dass der Freiheitsgrad F dem Modenabstand frep des Frequenzkamms entspricht, kann das zumindest eine Signal S1, S2, S3, S4 durch Auswerten einer Schwebung benachbarter Moden des Frequenzkamms bestimmt werden. Dazu kann beispielsweise die Anzahl der Schwingungen des Schwebungssignals in einem bestimmten Zeitintervall mittels eines Photodetektors M1, M2 bestimmt werden.In the case that the degree of freedom F corresponds to the mode spacing f rep of the frequency comb, the at least one signal S1, S2, S3, S4 can be determined by evaluating a beat of adjacent modes of the frequency comb. For this purpose, for example, the number of oscillations of the beat signal can be determined in a specific time interval by means of a photodetector M1, M2.
In dem Fall, dass als Freiheitsgrad F die Offsetfrequenz f0 herangezogen wird, kann das Bestimmen des zumindest einen Signals mittels eines f:2f-Interferometers durchgeführt werden. Dabei wird eine Komponente der zu dem Frequenzkamm gehörigen optischen Strahlung frequenzverdoppelt und mit einer nicht frequenzverdoppelten Komponente der optischen Strahlung überlagert. Die entstehende Schwebung weist eine Frequenz auf, die der Offsetfrequenz f0 des Frequenzkamms entspricht, und kann mit bekannten Mitteln gemessen werden.In the case that the offset frequency f 0 is used as the degree of freedom F, the determination of the at least one signal can be carried out by means of an f: 2f interferometer. In this case, a component of the frequency comb belonging to the optical radiation is frequency doubled and superimposed with a non-frequency doubled component of the optical radiation. The resulting beat has a frequency which corresponds to the offset frequency f 0 of the frequency comb, and can be measured by known means.
In
Wie im Folgenden erläutert wird, wird der Ist-Wert des Freiheitsgades F auf einen Sollwert FSoll geregelt. Ein solches Regeln ist erfüllt, wenn der Ist-Wert des Freiheitsgrades F innerhalb eines nachfolgend näher beschriebenen, den Sollwert FSoll umfassenden Stabilisierungsbereichs ΔFStabilisierung liegt.
Von den Messeinrichtungen M1, M2 erhaltene Messwerte W1, W2 können direkt ein mit dem Ist-Wert des Freiheitsgrades F des Frequenzkamms korrelierendes Signal darstellen. Es ist auch denkbar, dass das zumindest eine Signal S1, S2, S3, S4 aus einem Messwert W1, W2 durch Weiterverarbeiten hervorgeht. Beispielsweise kann ein Messwert W2 durch eine Weiterverarbeitungseinheit
Erfindungsgemäß ist es denkbar, dass lediglich ein einziges mit einem Ist-Wert des Freiheitsgrades F korrelierendes Signal S1, S2, S3, S4 bestimmt wird. Vorteilhafterweise werden aber zwei, drei, vier, fünf oder mehr Signale S1, S2, S3, S4 bestimmt, die mit dem Ist-Wert des Freiheitsgrades F korrelieren.According to the invention, it is conceivable that only a single signal S1, S2, S3, S4 correlating with an actual value of the degree of freedom F is determined. Advantageously, however, two, three, four, five or more signals S1, S2, S3, S4 are determined, which correlate with the actual value of the degree of freedom F.
Ein von einer ersten Messeinrichtung M1 ermitteltes, mit dem Ist-Wert des Freiheitsgrades F korrelierendes Signal S1 wird als erstes Eingangssignal an eine erste Kontrolleinheit
Vorzugsweise werden die ersten Regelkreise
Mit der ersten Kontrolleinheit
Vor Allem direkt nach dem Einschalten des Frequenzkamms kann es vorkommen, dass der Ist-Wert des Freiheitsgrades F außerhalb eines festgelegten Gültigkeitsbereiches ΔFGültigkeit eines Signals aus der Menge des zumindest einen bestimmten Signals S1, S2, S3, S4 liegt. Der Gültigkeitsbereich ΔFGültigkeit kann dabei für jedes Signal S1, S2, S3, S4 verschieden sein und der Wertebereich des Ist-Werts sein, in dem das Signal S1, S2, S3, S4 derart mit dem Ist-Wert des Freiheitsgrades F korreliert, dass zwischen dem Signal S1, S2, S3, S4 und dem Ist-Wert eine eins-zu-eins-Beziehung besteht. In anderen Worten ist der Gültigkeitsbereich ΔFGültigkeit der Bereich, in dem der Ist-Wert durch Bestimmen des Signals S1, S2, S3, S4 korrekt bestimmt wird.Especially immediately after switching on the frequency comb, it may happen that the actual value of the degree of freedom F outside of a specified validity range .DELTA.F validity of a signal from the amount of at least one specific signal S1, S2, S3, S4. The validity range ΔF validity can be different for each signal S1, S2, S3, S4 and the value range of the actual value, in which the signal S1, S2, S3, S4 correlates with the actual value of the degree of freedom F, that there is a one-to-one relationship between the signal S1, S2, S3, S4 and the actual value. In other words, the validity range ΔF validity is the range in which the actual value is correctly determined by determining the signal S1, S2, S3, S4.
Es kann überprüft werden, ob sich der Ist-Wert innerhalb des Gültigkeitsbereichs ΔFGültigkeit befindet. Dies kann beispielsweise durch Auswerten eines der zu dem Ist-Wert des Freiheitsgrades F korrelierenden Signale S1, S2, S3, S4 durch die Zustandsmaschine
Wenn der Ist-Wert außerhalb des festgelegten Gültigkeitsbereichs ΔFGültigkeit eines als erstes Eingangssignal zur Ansteuerung eines Aktuators
Befindet sich der Ist-Wert für alle als erste Eingangssignale verwendeten Signale S1, S2 außerhalb des betreffenden Gültigkeitsbereichs ΔFGültigkeit, werden sämtliche ersten Regelkreise
Basierend auf zumindest einem der Zustandsmaschine
Wenn durch die Zustandsmaschine
Die zweiten Regelkreise
Die zweiten Regelkreise
Anhand der ihr zur Verfügung stehenden Daten, insbesondere den ersten oder zweiten Eingangssignalen, kann die Zustandsmaschine
Die Zustandsmaschine
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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